Geschiedenis van Laser

In 1917 legde Albert Einstein de theoretische fundamenten voor de laser en de maser in het artikel Zur Quantentheorie der Strahlung (Over de kwantumtheorie van straling) via een herleiding van de stralingswet van Max Planck, conceptueel gebaseerd op waarschijnlijkheidscoëfficiënten (Einstein-coëfficiënten) voor de absorptie, spontane emissie en gestimuleerde emissie van elektromagnetische straling.

Albert EinsteinMax Planck

Doorgaan in Verhaler

In 1928 bevestigde Rudolf W. Ladenburg het bestaan van de fenomenen gestimuleerde emissie en negatieve absorptie.

Rudolf W. Ladenburg

Doorgaan in Verhaler

In 1939 voorspelde Valentin A. Fabrikant het gebruik van gestimuleerde emissie om "korte" golven te versterken.

In 1947 vonden Willis E. Lamb en R.C. Retherford schijnbare gestimuleerde emissie in waterstofspectra en voerden de eerste demonstratie van gestimuleerde emissie uit.

Willis Lamb

Doorgaan in Verhaler

In 1950 stelde Alfred Kastler (Nobelprijs voor Natuurkunde 1966) de methode van optisch pompen voor, die twee jaar later experimenteel werd bevestigd door Brossel, Kastler en Winter.

Alfred Kastler

Doorgaan in Verhaler

In 1951 diende Joseph Weber een artikel in over het gebruik van gestimuleerde emissies om een microgolfversterker te maken voor de Institute of Radio Engineers Vacuum Tube Research Conference in juni 1952 in Ottawa, Ontario, Canada. Na deze presentatie vroeg RCA aan Weber om een seminar over dit idee te geven, en Charles Hard Townes vroeg hem om een kopie van het artikel.

In 1953 produceerden Charles Hard Townes en promovendi James P. Gordon en Herbert J. Zeiger de eerste microgolfversterker, een apparaat dat werkte volgens vergelijkbare principes als de laser, maar dat microgolfstraling versterkte in plaats van infrarode of zichtbare straling. De maser van Townes was niet in staat tot continue output.

Charles H. Townes

Doorgaan in Verhaler

Ondertussen werkten Nikolay Basov en Aleksandr Prokhorov in de Sovjet-Unie onafhankelijk van elkaar aan de kwantumoscillator en losten ze het probleem van systemen met continue output op door meer dan twee energieniveaus te gebruiken. Deze versterkende media konden gestimuleerde emissies vrijgeven tussen een aangeslagen toestand en een lagere aangeslagen toestand, niet de grondtoestand, wat het behoud van een populatie-inversie vergemakkelijkte. In 1955 stelden Prokhorov en Basov optisch pompen van een systeem met meerdere niveaus voor als methode om populatie-inversie te verkrijgen, wat later een belangrijke methode voor laserpompen werd.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

Doorgaan in Verhaler

In 1957 begonnen Charles Hard Townes en Arthur Leonard Schawlow, destijds bij Bell Labs, een serieuze studie naar de infraroodlaser. Naarmate de ideeën zich ontwikkelden, lieten ze infrarode straling varen om zich in plaats daarvan te concentreren op zichtbaar licht. Het concept werd oorspronkelijk een "optische maser" genoemd.

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

Doorgaan in Verhaler

Tegelijkertijd werkte promovendus Gordon Gould aan de Columbia University aan een proefschrift over de energieniveaus van aangeslagen thallium. Toen Gould en Townes elkaar ontmoetten, spraken ze over stralingsemissie als algemeen onderwerp; daarna, in november 1957, noteerde Gould zijn ideeën voor een "laser", inclusief het gebruik van een open resonator (later een essentieel onderdeel van een laserapparaat).

Gordon Gould

Doorgaan in Verhaler

In 1958 diende Bell Labs een patentaanvraag in voor hun voorgestelde optische maser; en Schawlow en Townes dienden een manuscript van hun theoretische berekeningen in bij de Physical Review, dat dat jaar werd gepubliceerd in Volume 112, Uitgave nr. 6.

In 1958 stelde Prokhorov onafhankelijk het gebruik van een open resonator voor, de eerste gepubliceerde verschijning (in de USSR) van dit idee. Elders, in de VS, waren Schawlow en Townes overeengekomen tot een laserontwerp met een open resonator – blijkbaar onbewust van de publicaties van Prokhorov en het ongepubliceerde laserwerk van Gould.

Alexander Prokhorov

Doorgaan in Verhaler

Op een conferentie in 1959 publiceerde Gordon Gould de term LASER in het artikel The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

De aantekeningen van Gould bevatten mogelijke toepassingen voor een laser, zoals spectrometrie, interferometrie, radar en kernfusie. Hij bleef het idee ontwikkelen en diende in april 1959 een patentaanvraag in.

Het Amerikaanse octrooibureau wees de aanvraag van Gould af en kende in 1960 een patent toe aan Bell Labs.

Op 16 mei 1960 bediende Theodore H. Maiman de eerste werkende laser in de Hughes Research Laboratories in Malibu, Californië, waarmee hij verschillende onderzoeksteams voorbleef, waaronder die van Townes aan de Columbia University, Arthur Schawlow bij Bell Labs en Gould bij het bedrijf TRG (Technical Research Group). Maimans functionele laser gebruikte een met een flitslamp gepompte synthetische robijnkristal om rood laserlicht met een golflengte van 694 nanometer te produceren. Het apparaat was alleen in staat tot gepulseerde werking vanwege het ontwerp met drie pomp-niveaus.

Theodore Maiman

Doorgaan in Verhaler

Later dat jaar bouwden de Iraanse natuurkundige Ali Javan, William R. Bennett en Donald Herriott de eerste gaslaser, gebruikmakend van helium en neon, die in staat was tot continue werking in het infrarood (U.S. Patent 3,149,290). Later ontving Javan in 1993 de Albert Einstein Award. Basov en Javan stelden het concept van de halfgeleider-laserdiodes voor.

Ali Javan

Doorgaan in Verhaler

In 1962 demonstreerde Robert N. Hall het eerste laserdiodetoestel, dat gemaakt was van galliumarsenide en licht uitstraalde in de nabij-infrarode band van het spectrum op 850 nm. Later dat jaar demonstreerde Nick Holonyak, Jr. de eerste halfgeleiderlaser met zichtbare emissie. Deze eerste halfgeleiderlaser kon alleen worden gebruikt in gepulseerde werking en wanneer deze werd gekoeld tot vloeibare stikstoftemperaturen (77 K).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

Doorgaan in Verhaler

Townes rapporteert dat verschillende vooraanstaande natuurkundigen — waaronder Niels Bohr, John von Neumann en Llewellyn Thomas — beweerden dat de maser het onzekerheidsprincipe van Heisenberg schond en daarom niet kon werken. Anderen, zoals Isidor Rabi en Polykarp Kusch, verwachtten dat het onpraktisch zou zijn en de moeite niet waard. In 1964 deelden Charles H. Townes, Nikolay Basov en Aleksandr Prokhorov de Nobelprijs voor de Natuurkunde, "voor fundamenteel werk op het gebied van de kwantumelektronica, dat heeft geleid tot de constructie van oscillatoren en versterkers gebaseerd op het maser-laserprincipe".

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

Doorgaan in Verhaler

In 1970 ontwikkelden Zhores Alferov in de USSR, en Izuo Hayashi en Morton Panish van Bell Telephone Laboratories, ook onafhankelijk van elkaar diodelasers voor continue werking op kamertemperatuur, gebruikmakend van de heterojunctiestructuur.

Zhores Alferov

Doorgaan in Verhaler

Sinds de vroege periode van de lasergeschiedenis heeft laseronderzoek een verscheidenheid aan verbeterde en gespecialiseerde lasertypes opgeleverd, geoptimaliseerd voor verschillende prestatiedoelen, waaronder: - nieuwe golflengtebanden - maximaal gemiddeld uitgangsvermogen - maximale piekpulsenergie - maximaal piekpulsvermogen - minimale uitgangspulsduur - minimale lijnbreedte - maximale energie-efficiëntie - minimale kosten En dit onderzoek gaat tot op de dag van vandaag door.

In 2015 maakten onderzoekers een witte laser, waarvan het licht wordt gemoduleerd door een synthetische nanosheet gemaakt van zink, cadmium, zwavel en selenium die rood, groen en blauw licht in wisselende verhoudingen kan uitzenden, waarbij elke golflengte 191 nm beslaat.

In 2017 demonstreerden onderzoekers van de TU Delft een AC Josephson-junctie microgolf-laser. Omdat de laser in het supergeleidende regime werkt, is deze stabieler dan andere op halfgeleiders gebaseerde lasers. Het apparaat heeft potentieel voor toepassingen in kwantumcomputing.

In 2017 demonstreerden onderzoekers van de TU München de kleinste mode-locking laser die in staat is paren van fase-vergrendelde picoseconde-laserpulsen uit te zenden met een herhalingsfrequentie tot 200 GHz.

In 2017 vestigden onderzoekers van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), samen met Amerikaanse onderzoekers van JILA, een gezamenlijk instituut van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder, een nieuw wereldrecord door een erbium-gedoteerde glasvezellaser te ontwikkelen met een lijnbreedte van slechts 10 millihertz.